昆明地铁3号线司机室座椅坐垫托架右支撑板开裂故障原因分析及整改方案

昆明地铁 3号线司机室座椅坐垫托架右支撑板开裂故障原因分析及整改方案

罗军

昆明地铁运营有限公司 650000

摘要：城市轨道交通由于具有方便快捷、安全高效、绿色环保等诸多优点，受到了群众的广泛青睐。同时，城市轨道交通电客列车运行中频繁的启动、调速、制动等，对车辆各系统的性能提出了更高的要求。列车任何一个可能存在的隐患都是不容忽视的，这既是对轨道人职业素养的本质要求，更是对广大乘客负责的具体体现。

背景：2020年5月，昆明地铁3号线在常规日检作业过程中发现0312车TC2车司机室座椅靠背支撑螺栓有晃动现象，经确认为：0312#030721,TC2车司机室座椅靠背支撑螺栓与固定板面焊接处存在裂纹；同时，对3号线30辆列车60个司机室座椅开展的普查，共计发现18个司机室座椅靠背支撑螺栓与固定板面焊接处存在不同程度裂纹。电客列车正线运营期间，司机室座椅靠背支撑螺栓与固定板面脱离将导致座椅靠背塌陷，影响司机正常驾驶，存在行车安全隐患。本次故障的及时发现有效规避了行车风险，保证了运营安全。

为彻底解决该问题，现就司机室座椅托架右支撑板开裂原因进行分析并制定整改方案。

关键词：坐垫托架、结构强度、疲劳载荷

一、座椅坐垫托架右支撑板开裂原因分析

1. 靠背倾角调节原理及坐垫托架右支撑板开裂位置结构说明

结构图 拆解图

1、靠背骨架 2、转轴 3、轴用挡板 4、锁紧螺母 5、调节齿板 6、靠背调节手柄 7、坐垫托架 8、扭簧

图1 坐垫托架右支撑板开裂位置结构示意图

靠背倾角调节原理：如上图1所示，通过向上轻提靠背调节手柄（序号6）拨开调节齿板（序号5），使调节齿板与靠背骨架（序号1）连接整体的扇形齿分离，通过人体背部力量实现靠背的倾角调节；当松开靠背调节手柄，在拉簧力的作用下手柄复位，与靠背扇形齿形成啮合，从而实现靠背锁止。

2、故障原因分析

2.1 分析对象

对坐垫托架进行受力分析，左支撑板不受力，仅是支撑靠背旋转。右支撑板起锁定靠背的作用，是受力部件。因此，选定托架右支撑板及锁定机构为分析对象，并进行适当简化。托架强度分析有限元模型如图2所示，模型主体采用壳单元，螺柱采用实体单元，对锁定机构的连接采用施加单元，模型共34049单元，35094节点，单元尺寸边长小于3mm。

图2　托架强度有限元模型

2.2载荷分析

按照EN 12663-1-2010+A1-2014《铁路应用－铁路车辆车体的结构要求第一部分：机车和客车》中对于车体设备的载荷要求，在运行过程中的疲劳载荷为纵向0.15g，按照EN 15663-1-2017《铁路应用－车辆参考质量的定义》，当司机重量为80kg，则托架的疲劳载荷为纵向120N，作用于靠背中心。

根据靠背的受力特点，只承受靠背的压力，因此托架在正常运用的疲劳载荷为0~120N；

2.3材料特性分析

托架的制造材料为Q235，表1列出了制造材料的机械性能参数根据美国机械工程协会标准ASME2007《主S-N曲线疲劳评估方法在ASME B&PV Code, Section VIII, pision 2 and API 579-1/ASME FFS-1中的实施》，钢结构焊缝疲劳强度S-N曲线如图3，图中均为对数坐标，本报告采用FE-SAFE软件的等效结构应力选择95.5%(2σ)曲线进行疲劳寿命计算。

表1 Q235在静载作用下各种板厚的机械性能。

图3　钢结构焊缝疲劳强度S-N曲线(对数坐标)

2.4 结构强度分析

根据昆明地铁司机室座椅故障原因分析，造成裂纹的主要原因为打磨造成焊接区域局部板厚减薄，该区域螺柱螺母连接力减弱，对此进行应力计算分析。

2.4.1 焊接区原结构强度

焊接区域不减薄及螺母连接力不减弱，对托架施加120N载荷，原结构应力如图4，最大计算应力为133.2MPa，裂纹部位应力为93.3MPa。

图4　原结构疲劳载荷计算应力

2.4.2 托架焊接区域减薄结构强度分析

焊接区域减薄到1.5mm，螺母连接力不减弱，对托架施加120N载荷，托架应力如图5。最大计算应力为131.0MPa，裂纹部位应力为113.3MPa。

图5　焊接区域减薄疲劳载荷计算应力

2.4.3托架螺母连接减弱结构强度分析

螺母连接力减弱，对托架施加120N载荷，托架应力如图6。裂纹部位应力为最大计算应力部位，254.3MPa。

图6　原结构螺母连接减弱疲劳载荷计算应力

根据以上载荷数据分析得出，造成3号线司机室座椅坐垫托架右支撑板开裂故障主要原因为打磨造成焊接区域局部板厚减薄，该区域螺柱螺母连接减弱。

二、改进方案及效果

1、整改方案

a.坐垫托架右支撑板的板厚变更，由2mm冷拉钢板Q235A改成2.5mm冷拉钢板DC03。

b.在坐垫托架右支撑板内侧的两个螺柱之间增焊一个连杆，加强两个螺柱与右支撑板的整体强度（如下图7所示）。

整改前 整改后

图7 增加连杆示意图

2、改进效果

2.1托架整改结构强度

对整改后的托架施加120N载荷，整改后的托架应力如图8。最大计算应力为73.3MPa，裂纹部位应力为36.9MPa。

图8　整改结构疲劳载荷计算应力

若整改后裂纹部位区域减薄到2.0mm，托架应力如图9。最大计算应力为73.4MPa，裂纹部位应力为39.5MPa。

图9　整改区域减薄结构疲劳载荷计算应力

若整改后裂纹部位螺母连接力减弱，托架应力如图10。最大计算应力为73.4MPa，裂纹部位应力为41.0MPa。

图10　整改区螺母连接载荷计算应力

三、整改结论

1、对比正常情况下，裂纹部位的应力从原93.3MPa降低到36.9MPa，降低了60.4%；螺柱焊缝部位的应力由原来的133.2MPa降低到59.3MPa，降低了55.4%，整改效果显著。整改结构焊缝部位局部打磨与螺母连接力减弱均不敏感，最大应力增加不超过4.1MPa。

2、对整改结构进行寿命计算，循环载荷为0~120N,焊缝的最小疲劳寿命为107.0149s=10,350,000次，大于标准所要求的1千万次，焊缝螺柱处的最小疲劳寿命为107.614s=41,114,972次。

3、整改结构与原结构比较，强度得到很大提高，疲劳满足要求，并且应力对打磨与螺母连接减弱没影响。

参考文献

[1].EN 12663-1-2010+A1-2014 《铁路应用－铁路车辆车体的结构要求第一部分：机车和客车》；

[2].EN 15663-1-2017《铁路应用－车辆参考质量的定义》；

[3].ASME　2007《主S-N曲线疲劳评估方法在ASME B&PV Code, Section VIII, pision 2 and API 579-1/ASME FFS-1中的实施》；

[4]昆明3号线轨道检测车维修手册 .昆明地铁运营有限公司提供。

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